《Process Safety and Environmental Protection》：Evaluation of Low-Temperature Nitrogen Inertization in Goafs and 3D Identification of Gas-Coal Spontaneous Combustion Hazard Zones: An Integrated PFC3D-COMSOL Model
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本文针对深部矿井瓦斯-煤自燃复合灾害风险防控难题，提出PFC3D-COMSOL耦合建模方法，定量评估低温氮气注入抑制效果，实现三维危险区识别与重构，为矿井安全开采提供理论支撑。
周艾涛|杨月新|孙晓东|何一正|王凯|薛鹏|袁永旺|王一达
中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083，中国
摘要
随着深部煤炭开采的推进，采空区瓦斯-煤炭自燃（CSC）的风险显著增加，而相关研究仍然有限。为了解决这一问题，提出了一种PFC3D-COMSOL耦合建模方法，以定量评估低温氮气注入的惰化效率，并实现瓦斯-CSC复合危险区的三维识别与重建。结果表明，在不注入氮气的条件下，复合危险区呈现不对称扩展模式。在开采层中，危险区持续扩展，其范围从100-130米扩大到100-180米。相比之下，相邻煤层中的复合危险区扩展较为缓慢。在低温氮气注入下，两层中的CSC危险都得到了显著抑制。40天后，氧化区的体积分别减少了89.61%和83.25%。同时，开采层中的复合危险区被限制在回风侧的工作面附近，不再持续扩展，体积减少了71.66%；而相邻煤层由于空气泄漏的上移，出现了局部扩展。这些结果可以为深部煤矿中复合危险的预防和控制提供参考。
引言
在可预见的未来，煤炭仍将是中国能源结构的重要支柱（Chen等人，2023年；Niu等人，2022年；Onifade和Genc，2020年；Zhou等人，2025b年；Zhou等人，2025c年）。近年来，浅层煤炭资源逐渐枯竭，采矿活动不断向更深的地层扩展，伴随着地热梯度和气体压力的增加。因此，低瓦斯矿逐渐转变为高瓦斯甚至瓦斯突出矿。以前不易自燃的煤层逐渐演变为自燃倾向较高的煤层，导致涉及瓦斯和煤炭自燃（CSC）的复合危险显著增加（Ma等人，2023年；Wang等人，2024年；L. Zhang等人，2021年）。采空区中残留煤炭的自燃不仅可能导致工作面关闭和大量资源损失，还可能引发瓦斯爆炸，造成严重的人员伤亡和经济损失（Hu等人，2017年；Song等人，2019年；Zhang和Zou，2022年）。在中国和美国等国家的煤矿中，已经发生了多起由CSC引起的瓦斯爆炸事故，表明CSC和瓦斯的复合危险已成为制约深部煤炭资源安全高效开采的关键因素（Xia等人，2017年；Zheng等人，2023年）。
由于复杂的地质条件和实际采空区的稳定性较差，上覆岩层的周期性坍塌和压实导致其空间形态不断变化。因此，人员和大型精密仪器难以进入采空区，使得原位测量气体浓度和自燃指标几乎不可能实现（Li等人，2018年；Ma等人，2019年；Xia等人，2016年）。随着数值模拟技术的快速发展，有限元方法（FEM）和离散元方法（DEM）已广泛应用于煤炭开采研究，为重建和预测采空区内的复杂耦合过程提供了可靠的工具（Chu等人，2019年；Li等人，2021年；Tang等人，2016年；Zhou等人，2023年）。在这方面，许多研究人员使用PFC和FLAC等数值模拟软件来研究采矿引起的裂隙的发展和演变。例如，Wang等人（Wang等人，2023年；Wang等人，2025年）利用PFC2D和PFC3D模拟了浅埋多层开采条件下的上覆岩层破裂过程和裂隙网络的空间重建。他们的结果表明，上覆岩层结构的渐进性不稳定是控制裂隙连通性和渗透率演变的主要因素。许多研究人员还开发了耦合多物理场模型来研究CSC的演变。Liu等人（Liu等人，2019年；Liu和Qin，2017a）基于移动坐标系开发了一个稳态模型和一个采矿停止期的瞬态耦合模型，揭示了高温区的时空分布及其对通风率、开采高度和残留煤层厚度等关键参数的敏感性。近年来，研究进一步扩展到涉及瓦斯和CSC的复合灾害的耦合模拟。Ma等人（Ma等人，2024年）分析了高瓦斯矿采空区中复合危险区的空间分布特征，发现它主要集中在回风侧，并随着通风量和开采进度的增加而扩展。Xu等人（Xu等人，2020年）建立了一个多场耦合模型，纳入了CSC产生的热量以及气体解吸和迁移过程。他们得出结论，复合危险区呈现倾斜的带状分布，其位置和范围受通风条件、残留煤层厚度和气体释放强度的控制。然而，采空区中瓦斯和CSC的耦合灾害是由多个物理场（包括裂隙场、流场、浓度场和温度场）之间的相互作用驱动的，从而表现出明显的动态耦合效应（Kong等人，2017年；Wang等人，2022年；Yang等人，2021年）。
据统计，超过60%的CSC事故发生在采空区内，这些区域是瓦斯爆炸的主要点火源。因此，预防和控制采空区中的CSC已成为国内外煤矿安全研究的长期焦点问题。作为一种成熟且高效的惰化技术，埋管氮气注入已在地下煤矿中得到广泛应用（Ma等人，2021年；Xia等人，2015年）。早期研究主要集中在常温条件下氮气注入的惰化机制和工程性能。近年来，Liu等人（Liu等人，2023年）通过结合现场实验的自编程数值模拟，验证了低温氮气注入在降低高温区和减缓煤炭氧化速率方面的显著优势。
当工作面推进到停线或遇到大型断层等复杂地质结构时，采矿作业通常会暂时暂停，以拆卸设备或调整工作面以穿过这些结构区域（Liu和Qin，2017b年；Xi等人，2017年）。这个阶段通常持续几周到几个月，在此期间必须保持通风，以确保巷道内人员的安全。由于采空区中的残留煤炭相对静止，并具有有利的氧气供应和热量积累条件，这一阶段是涉及瓦斯和CSC的复合危险的高风险阶段（Qiao等人，2022a年；Shi等人，2019年；Zhuo等人，2019年）。
然而，在现有的研究中，采空区模型中的孔隙率和渗透率分布主要依赖于理想化假设或经验拟合关系，这使得难以真实地表示采矿活动引起的空气泄漏路径的发展和动态演变。这一限制反过来又限制了对瓦斯-煤炭自燃（CSC）复合危险区时空演变的准确表征。同时，关于低温氮气注入用于防火的研究大多仍处于定性阶段，对其惰化效率的系统性定量评估仍然缺乏。此外，低温氮气注入对复合危险区空间分布和演变行为的影响通常被忽视。为了解决这些限制，使用PFC3D-COMSOL耦合方法建立了一个结合裂隙场、流场、浓度场和温度场的耦合多物理场模型。系统揭示了采空区中CSC和气体迁移的演变特征，定量评估了低温氮气注入的惰化效率，并实现了涉及瓦斯和CSC的复合危险区的三维识别与重建。这些发现为优化深部煤矿的防火和气体控制策略提供了宝贵的见解。
部分摘录
PFC3D-COMSOL耦合建模框架
本研究采用了PFC3D-COMSOL耦合模拟方法。首先构建了一个三维离散元模型，用于模拟实际工作面开采过程中采矿引起的裂隙的动态演变。然后将从PFC3D模拟获得的孔隙率数据导入COMSOL作为插值函数，以表征裂隙场。在此基础上，建立了一个结合裂隙场、流场、浓度场的耦合多物理场模型。
上覆岩层坍塌行为
在开采煤层之前，移除了巷道和开放切割区域内的颗粒，并选择性地固定了直接接触巷道几何形状的单层煤颗粒，以表示巷道开挖后的应力释放和周围岩石的支撑约束。模型迭代求解直至达到机械平衡。开采开始后，重新设置颗粒位移，并根据其
模型验证
通过提取非氮气注入条件下采空区中氧气和气体浓度的空间分布特征，并将其与先前发表的实验和数值模拟结果进行比较，验证了本研究中开发的数值模型的准确性。
图10展示了本研究获得的模拟结果与已发表的关于采空区氧气浓度分布的研究结果之间的比较（Ma等人，2024年；Song等人
边界定义
图23说明了采空区内气体危险和CSC之间的耦合关系。在空气泄漏条件下，氧气通过裂隙网络不断进入采空区，促进残留煤炭的氧化。同时，来自相邻煤层的减压气体迁移以及残留煤炭的气体解吸促进了气体传输和局部积聚。
工程建议
根据本研究中的数值模拟结果和机制分析，应在多层条件下实施低温氮气惰化，将工程控制重点从单纯抑制开采层中的自燃风险转向协调调节采空区内的整体空气泄漏流场。根据本研究的结果，建议采取以下工程优化措施。
结论
基于PFC3D-COMSOL耦合建模，开发了一个完全耦合的多物理场模型，整合了裂隙场、流场、浓度场和温度场。表征了三维采空区内CSC和气体迁移的耦合演变，并定量评估了低温氮气注入的惰化效率。此外，实现了涉及瓦斯和CSC的复合危险区的三维识别与重建。
未引用的参考文献
(Wang等人，2023年；Zhang等人，2021年)
CRediT作者贡献声明
王凯：验证、监督、软件、项目管理、调查、资金获取、概念化。薛鹏：验证、软件、资源、正式分析。周艾涛：撰写——初稿、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。杨月新：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、正式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3009000，2023YFC3006804）和中国国家自然科学基金（52130409，52121003，51874314）的财政支持。
